关节轴承磨损失效物理建模与分析方法技术

本发明专利技术属于机械工程技术领域，公开了一种关节轴承磨损失效物理建模与分析方法，包括：建立关节轴承失效物理模型、获取关节轴承结构和动态磨损数据、动态磨损过程拐点辨识、磨损阶段磨损常数辨识以及非线性磨损过程失效物理描述。本发明专利技术首次提出了融合关节轴承的磨损特性参数、结构参数、材料参数和载荷工况参数的磨损模型，参数之间的物理关系明确，能够十分准确地描述自润滑关节轴承起始于微小间隙的磨损退化过程，并用于关节轴承的结构优化设计和磨损分析中。

【技术实现步骤摘要】
关节轴承磨损失效物理建模与分析方法
本专利技术涉及基于失效物理的关节轴承非线性磨损建模与分析方法，属于机械工程

技术介绍
关节轴承是一种特殊结构的滑动轴承，其结构简单，主要由一个有外球面的内圈和一个有内球面的外圈组成，自润滑关节轴承有衬垫。自润滑关节轴承运动时，衬垫层与内圈或外圈相对滑动而产生摩擦，其摩擦系数较小，工作时无需补充润滑剂，因而成为高端关节轴承的首选结构和润滑方案，广泛应用于航空、核电、舰船等装备的操纵与传动系统中。关节轴承的主要失效模式为磨损，其磨损分析方法对自润滑关节轴承结构设计和寿命预测具有至关重要的作用。磨损是一个非线性过程，如图1所示，可分为三个阶段：磨合磨损阶段(I)，稳定磨损阶段(II)，急剧磨损阶段(III)。在磨合磨损阶段，磨损率随时间增加而逐渐降低；在稳定磨损阶段，摩擦表面经磨合以后达到稳定运行状态，磨损率基本不变，这是摩擦副的正常工作时期，也是决定摩擦副磨损寿命的最关键的时期；急剧磨损阶段，磨损率随时间迅速增加，使摩擦副工作条件急剧恶化，直至零件完全失效。关节轴承聚四氟乙烯(PTFE)织物衬垫的磨损过程也存在三个磨损阶段。失效物理方法已经成功应用在机械、民用产品和航空航天结构中。
技术实现思路
针对关节轴承结构设计和磨损分析的需要，本专利技术提出一种关节轴承磨损失效物理建模与分析方法，是一种关节轴承非线性磨损过程的失效物理建模与关节轴承非线性磨损过程的分析方法，其中，磨损的分析方法融入建模的过程之中，关节轴承的失效物理模型即为磨损分析的核心算法。本专利技术的技术方案是：一种关节轴承磨损失效物理建模与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确定材料磨损模型在自润滑关节轴承中，内环为钢材料，减磨的自润滑衬垫层为高分子复合材料，磨损主要发生在衬垫层上。关节轴承的寿命取决于自润滑衬垫层的磨损寿命。磨粒磨损的Archard磨损公式为黏着磨损的Archard磨损公式为其中，V为磨损量，FN为法向载荷，x为滑动距离，H为摩擦副中较软材料的硬度，σs为接触摩擦副中较软材料的受压屈服极限(对于自润滑关节轴承，较软材料为自润滑衬垫层)，ks称为磨损常数。磨损常数取决于粗糙表面接触条件，如材料和润滑，分为磨粒磨损常数和黏着磨损常数。Archard滑动磨损计算方法认为磨损量与法向载荷和滑动距离成正比，与较软材料硬度(或受压屈服极限)成反比。在自润滑关节轴承中，较软材料为自润滑衬垫层。由式(1)、(2)可知，磨粒磨损与黏着磨损的Archard公式具有相同的表达形式。自润滑关节轴承衬垫的磨损同时存在磨粒磨损和黏着磨损过程，在磨损计算时难以将二者分开。在步骤一中，本专利技术将强度作为衡量自润滑衬垫层耐磨损性能的量，所以自润滑关节轴承磨损公式为实际使用中将关节轴承内外球面间的最大允许间隙作为其磨损失效阈值。关节轴承的结构间隙s定义为内外球面间的间隙；初始间隙u0为产品出厂时的内外球面间隙。结构间隙为初始间隙与磨损深度u的叠加，s＝u0+u。接触分为非协调接触与协调接触，当接触面的尺寸相对于接触物体的尺寸不可忽略时定义为协调接触，关节轴承是典型的球面协调接触情形，其关节轴承接触压力采用公式(8)和(9)计算。在关节轴承接触压力计算公式(8)和(9)中，R1为内球面半径，R2为外球面半径。在关节轴承磨损分析中，R1和R2为相对值，在磨损的过程中认为R2＝R＝dk/2为恒定值，而R1随着磨损深度而变化；其中，dk为关节轴承协调接触表面的直径。即有R1＝R-(u0+u)/2(4)ΔR＝s/2＝(u0+u)/2(5)由于磨损量与载荷成正比，所以最大磨损量取决于接触载荷最大的点。关节轴承中的接触应力最大点p0处于接触区域的中心点O，接触压力随着磨损深度的变化而变化。在接触区域的中心，取一个微元区，其面积为Aa。设这个微元区为平面，且微元区上的接触压力均匀，都是p0，所以，FN＝p0Aa,V＝uAa(6)由式(3)可得用磨损深度表示的Archard磨损模型为其中，p0(u)为当磨损深度为u时的最大关节轴承接触压力，关节轴承接触压力的计算方法如步骤2所示。步骤2：确定关节轴承接触压力计算方法关节轴承接触压力计算方法如下，(1)当0＜a＜h时，关节轴承中的接触压力分布采用完整球面协调接触的模型计算，即(2)当h＜a≤R2时，其求解方法为对于以上两式，都有其中：r为球面上的点到接触区域中心的投影距离；a为接触区域的投影半径；h为关节轴承半宽；p0为最大关节轴承接触压力；F为关节轴承承受的外部施加载荷；n为压力分布指数；F0为等效附加载荷；Γ为gamma函数；B，c为中间参数，用公式(10h)定义。E*为等效弹性模量，设其中，E1,E2分别为关节轴承内圈与外圈材料的弹性模量，μ1,μ2为相应的泊松比。步骤3：确定动态磨损量表达式和数值求解过程采用关节轴承接触压力计算公式(8)和(9)可计算出每个磨损深度u对应的p0(u)值。如果最大接触压力p0恒定，那么磨损深度与接触压力成正比关系。但是在关节轴承的寿命周期中，磨损量逐渐增大会导致最大接触压力逐渐增大。但在一个微小的相对滑动距离dx内，其最大接触压力可认为是恒定的，那么du为滑动距离dx内磨损量的增量。对于关节轴承，其工作过程中的运动方式一般为摆动，设摆动角度为±α，摆动频率为fs。所以，在时间dt内，关节轴承内外环之间的相对滑动距离为dx＝2R·α(t)·fs(t)·dt(12)在实际使用中，摆动角度α(t)，摆动频率fs(t)可能随着任务的不同而产生变化，故而它们是工作时间的函数。故时间磨损率w为单位时间内的磨损深度，即从磨损率表达式(14)可知：在其他因素不变的情况下，磨损率与摆动角度和摆动频率成正比；如果磨损常数、摆动频率和摆动角度都为定值，且摩擦副表面状态不变，磨损率并不会保持常数，而是随磨损深度的增加而增加。公式(14)也反映出磨损率与磨损常数理论上成正比，在相同的工况下，如果磨损过程中磨损常数发生变化，则磨损率也成比例发生变化。由公式(14)得到的时间磨损率反映的并不是自润滑衬垫材料的磨损率，而是自润滑关节轴承的磨损率，其与关节轴承的结构参数R有关。而磨损常数只与材料和摩擦副表面接触特性有关，所以关节轴承的磨损常数ks是比磨损率w更基本的磨损特征量。同种衬垫的自润滑关节轴承，磨损常数遵循相同的物理规律。由于关节轴承的一个摆动周期时间短，磨损增量非常微小，在理论建模过程中认为单个摆动周期内的最大接触压力保持恒定。由于最大关节轴承接触压力是磨损量的函数，而磨损量为时间的函数，故而最大关节轴承接触压力也是时间的函数，那么从时间t0到tT内的累计磨损量为如果关节轴承的摆动角度和运动频率都是恒定值，那么在时间t0到tT内的累计磨损量为式(16)成立的前提条件是磨损常数ks在时间段t0到tT内保持不变。如果摩擦副的磨损常数不是恒定不变的量，则时间t0到tT内的累计磨损量为磨损常数是摩擦副的本质属性，与材料特性和摩擦副的接触状况有关。如果磨损常数不恒定，就其本质而言，磨损常数将随着磨损深度而变化。即磨损常数是磨损量的函数。所以，上式变为当u＝um时，认为寿命终结，对应的工作时间即为关节轴承的寿命T。从公式(8)和(9)可知，由于关节轴承协调接触模型确定的关节轴承最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关节轴承磨损失效物理建模与分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、确定材料磨损模型将强度作为衡量自润滑衬垫层耐磨损性能的量，所以关节轴承滑动磨损的磨损体积公式为V=ksFNσsx---(1)]]>其中，V为磨损量，FN为法向载荷，x为滑动距离，σs为接触摩擦副中较软材料的受压屈服极限，ks称为磨损常数；实际使用中将关节轴承内外球面间的最大允许间隙作为其磨损失效阈值；关节轴承的结构间隙s定义为内外球面间的间隙；初始间隙u0为产品出厂时的内外球面间隙；结构间隙为初始间隙与磨损深度u的叠加，s＝u0+u；在关节轴承接触压力计算公式(8)和(9)中，R1为内球面半径，R2为外球面半径；在关节轴承磨损分析中，R1和R2为相对值，在磨损的过程中认为R2＝R＝dk/2为恒定值，而R1随着磨损深度而变化；其中，dk为关节轴承协调接触表面的直径；即有R1＝R‑(u0+u)/2    (2)ΔR＝s/2＝(u0+u)/2    (3)由于磨损量与载荷成正比，所以最大磨损量取决于接触载荷最大的点；关节轴承中的接触应力最大点p0处于接触区域的中心点O，接触压力随着磨损深度变化而变化；在接触区域的中心，取一个微元区，其面积为Aa；设微元区为平面，且微元区上的接触压力均匀，都是p0，所以，FN＝p0Aa,V＝uAa    (4)由式(1)可得用磨损深度表示的Archard磨损模型为u=ksp0(u)σsx---(5)]]>其中，p0(u)为当磨损深度为u时的最大关节轴承接触压力；步骤2、确定关节轴承接触压力计算方法关节轴承接触压力计算方法如下，(1)当0＜a＜h时，关节轴承中的接触压力分布采用完整球面协调接触的模型计算，即p0=(n+1)Fπa2(a)a=[4BR1R2Fπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(b)---(6)]]>(2)当h＜a≤R2时，其求解方法为Q=∫har·(1-r2/a2)n·arccoshr·dr(c)F0=4(n+1)·Q·Fπa2-4(n+1)·Q,Ft=F+F0(d)p0=(n+1)Ftπa2(e)a=[4BR1R2Ftπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(f)---(7)]]>对于以上两式，都有n=0.5-0.24exp[-15.08(1-a/R2)](g)B=πΓ(n+1)2Γ(3/2+n),c=3.8304BtFπ2E*R2(h)g(a)=2/π+(a/R2)2(j)---(8)]]>其中：r为球面上的点到接触区域中心的投影距离；a为接触区域的投影半径；h为关节轴承半宽；p0为最大关节轴承接触压力；F为关节轴承承受的外部施加载荷；n为压力分布指数；F0为等效附加载荷；Γ为gamma函数；B，c为中间参数，用公式(8h)定义；E*为等效弹性模量，设其中，E1,E2分别为关节轴承内圈与外圈材料的弹性模量，μ1,μ2为相应的泊松比；步骤3、推导动态磨损量表达式与数值求解方法一个微小的相对滑动距离dx内，其最大关节轴承接触压力可认为是恒定的，那么du=ksp0σs·dx---(9)]]>其中du为滑动距离dx内磨损量的增量；对于关节轴承，其工作过程中的运动方式一般为摆动，设摆动角度为±α，摆动频率为fs；所以，在时间dt内，关节轴承内外环之间的相对滑动距离为dx＝2R·α(t)·fs(t)·dt    (10)在实际使用中，摆动角度α(t)，摆动频率fs(t)可能随着任务的不同而产生变化，故而其是工作时间的函数；故du=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)·dt---(11)]]>时间磨损率w为单位时间内的磨损深度，即w=dudt=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)---(12)]]>由于关节轴承的一个摆动周期时间短，磨损增量非常微小，在理论建模过程中认为单个摆动周期内的最大接触压力保持恒定；由于最大关节轴承接触压力是磨损量的函数，而磨损量为时间的函数，故而最大关节轴承接触压力也是时间的函数，那么从时间t0到tT内的累计磨损量为u=2Rksσs∫t0tTp0(u(t))·α(t)·fs(t)...

【技术特征摘要】
1.一种关节轴承磨损失效物理建模与分析方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1、确定材料磨损模型将强度作为衡量自润滑衬垫层耐磨损性能的量，所以关节轴承滑动磨损的磨损体积公式为其中，V为磨损量，FN为法向载荷，x为滑动距离，σs为接触摩擦副中较软材料的受压屈服极限，ks称为磨损常数；实际使用中将关节轴承内外球面间的最大允许间隙作为其磨损失效阈值；关节轴承的结构间隙s定义为内外球面间的间隙；初始间隙u0为产品出厂时的内外球面间隙；结构间隙为初始间隙与磨损深度u的叠加，s＝u0+u；在关节轴承接触压力计算公式(8)和(9)中，R1为内球面半径，R2为外球面半径；在关节轴承磨损分析中，R1和R2为相对值，在磨损的过程中认为R2＝R＝dk/2为恒定值，而R1随着磨损深度而变化；其中，dk为关节轴承协调接触表面的直径；即有R1＝R-(u0+u)/2(2)ΔR＝s/2＝(u0+u)/2(3)由于磨损量与载荷成正比，所以最大磨损量取决于接触载荷最大的点；关节轴承中的接触应力最大点p0处于接触区域的中心点O，接触压力随着磨损深度变化而变化；在接触区域的中心，取一个微元区，其面积为Aa；设微元区为平面，且微元区上的接触压力均匀，都是p0，所以，FN＝p0Aa,V＝uAa(4)由式(1)可得用磨损深度表示的Archard磨损模型为其中，p0(u)为当磨损深度为u时的最大关节轴承接触压力；步骤2、确定关节轴承接触压力计算方法关节轴承接触压力计算方法如下，(1)当0＜a＜h时，关节轴承中的接触压力分布采用完整球面协调接触的模型计算，即(2)当h＜a≤R2时，其求解方法为对于公式(6)和公式(7)，都有其中：r为球面上的点到接触区域中心的投影距离；a为接触区域的投影半径；h为关节轴承半宽；p0为最大关节轴承接触压力；F为关节轴承承受的外部施加载荷；n为压力分布指数；F0为等效附加载荷；Γ为gamma函数；B，c为中间参数，用公式(8h)定义；E*为等效弹性模量，设其中，E1,E2分别为关节轴承内圈与外圈材料的弹性模量，μ1,μ2为相应的泊松比；步骤3、推导动态磨损量表达式与数值求解方法一个微小的相对滑动距离dx内，其最大关节轴承接触压力可认为是恒定的，那么其中du为滑动距离dx内磨损量的增量；对于关节轴承，其工作过程中的运动方式为摆动，设摆动角度为±α，摆动频率为fs；所以，在时间dt内，关节轴承内外环之间的相对滑动距离为dx＝2R·α(t)·fs(t)·dt(10)在实际使用中，摆动角度α(t)，摆动频率fs(t)随着任务的不同而产生变化，故而其是工作时间的函数；故时间磨损率w为单位时间内的磨损深度，即由于关节轴承的一个摆动周期时间短，磨损增量非常微小，在理论建模过程中认为单个摆动周期内的最大接触压力保持恒定；由于最大关节轴承接触压力是磨损量的函数，而磨损量为时间的函数，故而最大关节轴承接触压力也是时间的函数，那么从时间t0到...

【专利技术属性】
技术研发人员：方鑫，汪亚顺，谭源源，张书锋，张春华，陈循，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43